20多年来，日本在地下1000米深处存储了5万吨超纯水，目的何在？
作者：admin 发布时间：2021-08-02
日本要将福岛核废水排放到大海中的新闻相信大家都有所耳闻，在日本人看来，仿佛只要大家都认为他们家的马桶水可以喝，那么核废水自然也是能喝的，从这件事上，我们能看出日本得小节而失大义的倾向。
但是我们也不需要整天对着日本怒吼，因为人家根本不在意我们的谴责，我们真正应该做的，就是努力发展，为国家的富强出一份力。
所以今天要讲的就是一个日本科技上的一个高级的项目——超纯水。
储存纯水的超级神冈探测器
什么是超纯水
我们生活接触到的水都是杂质的，矿泉水、泉水中有大量的矿物质，自来水中更是带有水管中的铁锈、氯仿杀菌后的残留等等杂质，就算是我们认知中最纯净的蒸馏水，亦是有大量的空气融入其中。
水是世界上最常见的溶液，一不小心就会有某些物质溶解进去，正是因为这些杂质的存在，我们才会拥有一个常识——水，是可以导电的。
但你们能想象到吗？纯水其实是超级绝缘体，在超纯水里泡着的话就算把高压电缆扔进去，也根本不会触电。
足够纯净的水就能成为绝缘体
所以科学家们判断水的纯度，也是根据水的导电性进行判断，这水越是绝缘，就越纯净。
而超纯水的判断标准则是电阻率达到18兆欧姆每厘米，这是一个什么概念呢？一般电阻率达到10亿欧姆每厘米就可以称之为绝缘体，而我们最熟悉的绝缘体橡胶，它的电阻率也不过是100亿欧姆每厘米，也就是超纯水的绝缘能力是橡胶的一千八百倍。
理论上说，任何一个普通实验室的设备都能制造出一些超纯水，因为其原理并不复杂，原材料也只是简单的水。
那为什么日本的这一个超纯水项目值得我们去学习研究呢？
因为他们做的超纯水，装满了位于地下1000米深处的一个直径39.3米，深度41.4米的超级大桶，20多年来，储藏量已达五万吨，这个超纯水的分量可以装满20个标准泳池。
神冈探测器
制作这么多超纯水的难度十分高，因为在制作、运输、存储的过程中都会有杂质融入水中，超纯水自然就会变得不纯。
纯净水也无法大批量制作，只能一点点做出来，然后用特殊的密封容器将其运输到大桶中去，而大桶也不是一个普通的容器，它拥有净化和检测功能，时刻保持着桶中超纯水的纯净度能达到18兆欧姆每立方。
即便科学家们时刻关注着超纯水中杂质的含量，但超纯水却仍旧无法达到使用的要求。因为空气中蕴含有氡气，而氡元素是一种衰变速度非常快的物质，半衰期只有3.8天，每次衰变都会释放出轻微的辐射，这就会影响到超纯水发挥它的作用了。
于是科学家们还需要对进入大桶中的空气进行了过滤，将氡气全部清除，才成功将超纯水成功储存起来，这个储存超纯水的项目就叫做——超级神冈探测器。
“金光闪闪”
研发超纯水的目的
看到这里，大家心里一定会有疑问，这么麻烦制作超纯水有什么用？联想到日本排放核废水的行为，大家心里第一时间想的可能是日本害怕以后没有干净的水资源可以使用，所以才费尽心机存储五万吨的超纯水。
这个想法当然是不对的，首先五万吨的水并不多，每人平均每天用水150升，一年就是53.4吨，也就是说这五万吨超纯水只够936个人使用一年而已，根本大范围、长期满足供应。
其次，如果只是为了避免没有干净水可用，那为何不直接存储干净水，何必将杂质都分离开来，还大费周章将空气中的氡气都过滤掉？
氡为无色、无臭、无味的惰性气体
在这个仅仅是为了省钱就能把3级核泄漏事件硬生生拖成了7级核泄漏事件的国家，是不可能花钱去做一件没有意义的事情的。
超纯水的主要作用，是检测微小粒子的存在与变化。
这个装着五万吨超纯水的超级大桶里，不仅有超纯水和过滤设备，它同时还拥有密密麻麻的检测仪器，远远看上去像是密集的金色圆球，工作人员常常划着皮艇漂浮在超纯水上检测仪器是否正常。
仅仅通过肉眼难以看到水的痕迹，这是因为超纯水十分透明，因此几乎无法将它拍摄下来。
这些金色圆球其实是光电倍增管，它的主要作用就是检测超纯水中有没有出现一点点细微的光线，任何一丝光线都会被圆球放大一亿倍并记录下来，所以就算是肉眼无法看见的光亮，也能被瞬间发现。
光电倍增管
一开始，这个超级大桶加超纯水加检测仪器的组合被设计出来，其实是为了找到质子的衰变。
但直到现在，科学界也没有找到质子衰变的证据，至于什么是质子衰变，将会在后文细说。
这么大的仪器做出来了，经费也燃烧了一大把，却没能找到任何事情，这本应该是一个失败的实验，但是日本的科学家们中途转变了思路，不用这个仪器检测质子衰变了，用它来找中微子吧！
中微子的奥秘
我们都知道构成普通物质的基本粒子是原子，而原子是由原子核和围绕原子核运动的电子组成，其中原子核带正电荷，电子带负电荷。
原子CG图
科学家们通过计算发现宇宙中物质的数量明显不对，于是推断出宇宙中很可能存在着反物质，而在反物质中的负原子，原子核是带负电荷，电子却是带正电荷。
而科学家们还认为，在自然界中，存在一种不带电荷的中性电子，这就是中微子。
一般在核反应的过程中才能产生少量中微子，因为其不带电荷，所以中微子不会与物质发生相互作用。打个比方，手电筒的光照在墙上，光线就会被墙给挡住，而中微子射过去，墙就会像不存在一样，直接被穿透。
中微子是轻子的一种
不仅仅是墙，整个地球都会直接被中微子所穿透，中微子极其渺小，小到什么程度呢，就连组成原子的最小单位夸克也比它大两个数量级，夸克如果有一米大，那中微子只有一厘米大。
那么超级神冈探测器是如何捕捉到这么小的粒子的呢？
原理其实很简单，虽然因为原子的体积太大，中微子太小了，中微子面对普通物质时都会直接穿越而过，但是宇宙中的中微子很多，一般都来自于太阳和超新星爆发。
当数量多到一定程度的时候，总会有一颗冒失的中微子撞上原子核中的夸克，再发生撞击的那一瞬间，就会发出一丝丝微弱的光芒，这一丝光芒将会被金色圆球捕捉，科学家就可以根据捕捉的数据对中微子进行研究。
夸克是一种参与强相互作用的基本粒子
而水原子的结构十分简单，因此被中微子击中原子核的几率更高，所以需要用到完全提纯的超纯水。
检测中微子的意义
研究构成物质的基本粒子，是人类研究宇宙本源最重要手段，从研究微小粒子的过程中，科学家们发现了反物质存在，并根据研究总结出了宇宙的原貌。
而且中微子是目前唯一发现，不会在传播过程中发生明显衰变的一种粒子，它发射时有多少，我们检测到时就会有多少，这能帮助科学家们研究出每个星系的真实物质含量是多少。
除此之外，中微子可以穿透物质的特性，也可以用于通信领域，2012年美国科学家将一个中微子穿过了约237米厚的岩石，把信息传输到岩石背面的接收器。
中微子是十分诱人的理想信息载体
这意味着使用中微子传输信息，可以无视掉物质的障碍，以后水泥墙可能再也无法阻拦我们的WiFi信号了。
质子衰变
前文说到过，一开始超级神冈探测器的建立其实是为了检测质子的衰变，那么质子衰变是什么，又为什么要检测质子衰变呢？
由于原子由原子核和电子组成，电子核由带正电荷的质子和中性的中子组成，一般物质的衰变都是电子的运动和数量发生变化然后释放出辐射，最终转变成另一种物质，因此科学家们一度认为原子核会保持不变。
原子核由质子和中子两种微粒构成
后来随着研究深入，科学家们又提出了质子也有可能会衰变，根据计算质子的衰变期可能有10＾35年，这个时间是无比漫长的。
但如果能检测到质子的衰变证据，那么这将证明，所有的粒子性质上都将一样，也就是全世界其实都是由一种粒子组成的。
虽然预测的衰变期有那么长，但是只要有足够的原子数量用以检测，那还是有机会检测到刚好质子正在衰变的原子的，但是目前为止，所有检测质子衰变的实验都没有成功，包括日本的超级神冈探测器。
超级神冈探测器1982年建造，1983年完工
现在日本正在筹划一个更大的超纯水探测器，这个新的探测器将有71米深，68米宽，几乎是现在这个的两倍大，这样将能储存更多的超纯水，大大提升找到质子衰变证据的可能性。
结语
虽然目前中国的高新技术突飞猛进，但我们依然要保持谦逊和学习态度，不轻视、不自傲。在技术密集型产业上，日本还有许多值得我们借鉴的地方，例如超纯水研究项目。
中微子和质子衰变之类的研究，实在是太过微观，看起来似乎没有什么存在的必要，但我们的大千世界，其实就是由无数微观的东西组成的。物理学是所有科技的最前沿学科，如果我国的物理理论能领先于世界，那么相应的技术领域也会得到长足发展。
